0 引言

港口门座式起重机（简称门机）起升机构下放货物以及机构减速过程中，下放势能及制动动能会转换为再生电能，该再生电能一是通过制动电阻转换为热能消耗，二是通过公共的整流回馈单元回馈到供电电网，而储能回馈系统是不同于上述两种方式的一种新型节能技术。

本文提出起重机械内部再生电能的处理方案，研究和开发将新能源储能技术融合应用于港口门座起重机，将门机运行过程中产生的再生电能，通过超级电容储能系统的充放电过程，进行回收和释放再利用，从而实现避免电能浪费，提升港口门座起重机能效水平的目的。

1 储能回馈系统原理

首先，回收并储存门机下放及制动产生的再生能量，并在下一个上升动作释放储存能量，实现门机自循环重复利用再生能量功能，达到节能目的^[1]；其次，通过能量管理系统控制储存能量的释放快慢和大小，减小门机对码头电网的功率需求，从而降低进线变压器、供配电线路及电气元件的容量要求，达到功率补偿目的；最后，高压供电系统出现故障时，设备转换到应急工况，通过储能回馈系统提供的能量，起升机构放下货物，变幅、回转机构归位，行走机构将起重机移到抢修位置，不影响其它起重机作业位置。

储能回馈系统不会将再生能量通过制动电阻发热消耗浪费^[2]，能量管理单元根据电机运⾏状况来决定直流母线、超级电容（储能单元）两者间的能量流动方向，当起升电机处于下降势能发电状态时，再生能量经由起升逆变器整流汇聚于直流母线，直流母线电压升高，再生电能由直流母线流向储能单元，此时储能单元处于充电状态（即回收能量）；反之当电机处于提升电动状态时，再生能量由储能单元流向直流母线和外部市电共同为变频器逆变装置供电，此时储能单元处于放电状态（即循环利用能量）。

2  结构和功能

2.1 系统结构

本项目储能回馈系统包括：码头电网、起升机构变频器、变频电机、减速机组成电力传动系统，PLC电气控制系统精准控制各机构运行，能量管理单元与储能单元组成储能回馈系统对电能回收再利用，实现节能降耗。

2.2 能量管理单元

能量管理单元包括：双向DC-DC驱动器、控制单元、CMS管理系统，见图1。能量管理单元主要部件是大功率双向DC-DC变换器，采用PWM调制、电压模式^[3]，其主要作用是控制储能单元与变频器直流母线间的能量流向及大小。CMS管理系统用以实时监测系统运行情况及数据统计。

图1 系统组成示意图

2.3 储能单元

门机起升提升货物时，储能单元通过能量管理单元释放电能，下放货物时，储能单元通过能量管理单元吸收电能。其包括：超级电容模组、电抗器、均压电路板。储能单元主要部件是高能量超级电容器，其主要作用是储存能量，功率和能量密度大，充放电时间短，已在高铁等领域应用多年，可靠性、安全性得到非常充分的验证。

3  项目实施

本项目以两台DM2535带斗门机为依托，应用超级电容储能回馈技术，分别从系统性能参数选择、系统电控原理、储能回馈系统组成及性能参数、功率补偿逻辑控制流程、应用数据分析进行详细阐述。

3.1 能量计算

根据重力势能公式，对起升机构进行吸收、释放能量计算，如表1所示：

表1  三机构联动能量计算表

注：a表内重力势能计算了效率，且上升、下降分别取值。

    b变幅、回转能量按电机额定功率计算。

节电率理论值计算如下：统计一个完整的作业周期，系统回收电量为1.01kWh，消耗电量为4.11kWh，节能率约为24.57%。

3.2 系统设计选型

根据MQ2535带斗门机性能参数及码头配电情况，储能回馈装置补偿功率不小于250kW，计算得最大补偿能量为2.02kWh、最大回收能量为E1=1.01kWh，在应急工况时，行走50m需要的能量为4.10kWh，即储能单元有效储存能量不低于E总=E0+E1+Eg=7.13kWh，储能单元选型额定功率范围为：210kW~336kW；峰值功率范围为：315kW~504kW；储存能量7.13kWh。

3.3 功率补偿逻辑控制

综合门机性能参数、码头配电参数、储能回馈系统参数，通过PMS管理系统内部逻辑计算，控制双向DC-DC变换器工作模式，实现根据负载情况动态进行功率补偿。系统检测负载上升（或下降）实时功率，以及检测储能单元实时电压。通过负载功率可以判断设备是吸收能量还是释放能量，同时与码头外电功率对比，判断是否需要功率补偿。通过对比实时与设定的储能单元电压值，以此来决定储能单元是否进行充放电，直至到电压预设值为止。

4  应用效果

门座式起重机超级电容储能系统于2023年8月份投入运行，至今已稳定运行12个月，主要应用效果如下：

（1）实现港口起重机械运行过程中的势能、制动能所转化的再生电能在本机内的循环利用，无需反馈回码头供电网路，不会对码头电网产生闪变、谐振、和电能质量的影响。

（2）门机应用新型储能回馈技术，有效提升了节能降碳水平。通过两台DM2535门机现场实测，实现节电率＞28.7%。节电率实时数据见图2。

图2 储能数据监控画面

（3）再生电能实现内部循环利用后，电动状态下，门机从码头电网吸收的电功率（电流）下降30%以上，电流荷载水平的下降，意味着对外部供电线路，对变频系统整流单元部分可以扩充更多功率余量，并延长线路、元器件、功率器件的寿命。

5  结语

超级电容储能回馈系统将再生电能回收再利用，提高港口门座起重机的节能效果，同时可减少码头电网负荷和用电容量、延长变频器等电气设备使用寿命，还实现了削峰填谷作用，作为一种新型的起重机能量回馈技术，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 刘克毅,王梦,陈革新等.矿井提升机储能技术的应用与分析[J].煤矿机械,2023,44(09):135-138.DOI:10.13436/j.mkjx.202309043.

[2] 邢亮,梁亚军,杜春雷等.基于超级电容储能的门式起重机势能再回收系统[J].起重运输机械,2017,(08):22-25.

[3] 张小刚,燕林滋.基于PSCAD超级电容储能容量优化设计[J].价值工程,2023,42(27):63-67.

作者简介：

陆建锋，1977.02，张家港港务集团有限公司港盛分公司，高级工程师，擅长港机装备及自动化、无人化系统研究。

联系方式：江苏省张家港市金港街道巫山路5号，1391360926，lujf509@126.com